Pré-tratamento hidrotérmico autocatalítico na produção de biogás com resíduos do processamento da mandioca

Abstract

Resumo: As indústrias processadoras da mandioca geram grandes volumes de resíduos que, se descartados inadequadamente, são prejudiciais ao meio ambiente. No entanto, esses resíduos são ricos em matéria orgânica e podem ser convertidos em biogás, contribuindo para a sustentabilidade energética. Este estudo foca na aplicação de um pré-tratamento hidrotérmico autocatalítico ao bagaço da mandioca para melhorar a eficiência na produção de biogás. O estudo é dividido em três capítulos. No Capítulo 1, foi desenvolvida uma revisão da literatura abordando os pré-tratamentos hidrotérmicos e o processo de biodigestão anaeróbia dos resíduos da mandioca. No Capítulo 2, sete misturas de bagaço, água e água residuária do processamento da mandioca (ARPM) foram testadas em pré-tratamento hidrotérmico a 120ºC por 45 minutos para identificar a mistura ideal. As variáveis resposta avaliadas foram o rendimento e o acréscimo de açúcares redutores, onde a inovação no pré-tratamento convencional envolveu a substituição parcial da água por ARPM. Com a mistura ótima, foram testados cinco tempos distintos para determinar o tempo ideal de despolimerização. Utilizando a razão sólido-líquido ideal e o tempo ótimo, realizou-se o pré-tratamento autocatalítico usando o hidrolisado líquido obtido no pré-tratamento hidrotérmico convencional, rico em ácidos orgânicos, o que facilitou a despolimerização do bagaço. Os resultados obtidos foram a mistura ideal composta por 70 g de bagaço, 211,34 g de ARPM e 118,67 g de água, e o tempo ótimo de 75 minutos para obter um rendimento de 41,32±1,31% de açúcares redutores e um acréscimo de 0,64±0,02 g.L-1 de açúcares redutores. Enquanto o pré-tratamento autocatalítico atingiu um rendimento maior de 73,30% e acréscimo de 1,22 g.L-1 de açúcares redutores. Em ambos pré-tratamentos não foram detectados presença de furfural e 5-HMF. No Capítulo 3, três reatores operaram em regime semi-contínuo a 38 ºC com um tempo de retenção hidráulica de 20 dias. Após um período de adaptação, os reatores foram alimentados com diferentes cargas orgânicas. Como resultado, o Reator 2 apresentou o melhor rendimento médio diário de biogás 674,85±337,38 mL.g-1SVadic. (405,31 mL.g-1SVadic. de biometano) na Fase 3, e 903,90±302,28 mL.g-1SVadic. (549,03 mL.g-1SVadic. de biometano) na Fase 4, seguido do Reator 1 rendimento médio diário de biogás foi de 384,17±296,60 mL.g-1SVadic. (245,13 mL.g-1SVadic. de biometano) na Fase 3, e de 681,02±290,47 mL.g-1SVadic. (410,79 mL.g-1SVadic. de biometano) na Fase 4, e por fim o Reator 3 com rendimento de 364,82±193,03 mL.g-1SVadic. (225,20 mL.g-1SVadic. de biometano) na Fase 3, e 513,80±320,10 mL.g-1SVadic. (233,06 mL.g-1SVadic.) na Fase 4. Conclui-se que o hidrolisado originado no pré-tratamento autocatalítico, inserido no Reator 2, apresentou os maiores rendimentos de biogás e biometano, indicando melhor digestibilidade dos microrganismos em relação ao hidrolisado gerado no pré-tratamento hidrotérmico convencional e ao bagaço. O bagaço bruto teve o pior desempenho nos rendimentos de biogás e biometano, e necessidade de maior controle de pH. Conclui-se que os pré-tratamentos hidrotérmicos contribuem com o aumento dos rendimentos de biogás e biometano, evidenciando sua importância para a eficiência energética e sustentabilidade ambiental na indústria de processamento da mandioca.

Abstract: Cassava processing industries generate large volumes of waste which, if improperly disposed of, are harmful to the environment. However, these residues are rich in organic matter and can be converted into biogas, contributing to energy sustainability. This study focuses on the application of an autocatalytic hydrothermal pretreatment to cassava bagasse to improve biogas production efficiency. The study is divided into three chapters. In Chapter 1, a literature review was developed covering the main topics related to hydrothermal pretreatments and the anaerobic biodigestion process of cassava residues. In Chapter 2, seven different mixtures of bagasse, water, and cassava processing wastewater (ARPM) were tested in hydrothermal pretreatment at 120 ºC for 45 minutes to identify the ideal mixture. The response variables assessed were yield and the increase in reducing sugars, where the innovation in the conventional pretreatment involved partially substituting water with ARPM. With the optimal mixture, five different times were tested to determine the ideal depolymerization time. Using the optimal solid-liquid ratio and time, the autocatalytic pretreatment was performed using the liquid hydrolysate obtained in the conventional hydrothermal pretreatment, which is rich in organic acids, facilitating the depolymerization of the bagasse. The results achieved were the ideal mixture composed of 70 g of bagasse, 211.34 g of ARPM, and 118.67 g of water, and the optimal time of 75 minutes to achieve a yield of 41.32±1.31% of reducing sugars and an increase of 0.64±0.02 g.L-1 of reducing sugars. Meanwhile, the autocatalytic pretreatment reached a higher yield of 73.30% and an increase of 1.22 g.L-1 of reducing sugars. In both pretreatments, no presence of furfural and 5-HMF was detected. In Chapter 3, three reactors operated in a semi-continuous regime at 38 ºC with a hydraulic retention time (HRT) of 20 days. After a period of adaptation, the reactors were fed with different organic loads. As a result, Reactor 2 showed the best average daily biogas yield of 674.85±337.38 mL.g-1 SVadd. (405.31 mL.g-1SVadd. of biomethane) in Phase 3, and 903.90±302.28 mL.g-1SVadd. (549.03 mL.g-1SVadd. of biomethane) in Phase 4, followed by Reactor 1 with an average daily biogas yield of 384.17±296.60 mL.g-1SVadd. (245.13 mL.g-1SVadd. of biomethane) in Phase 3, and 681.02±290.47 mL.g-1SVadd. (410.79 mL.g-1SVadd. of biomethane) in Phase 4, and finally Reactor 3 with a yield of 364.82±193.03 mL.g-1SVadd. (225.20 mL.g-1SVadd. of biomethane) in Phase 3, and 513.80±320.10 mL.g-1SVadd. (233.06 mL.g-1SVadd.) in Phase 4. It is concluded that the hydrolysate from the autocatalytic pretreatment, used in Reactor 2, showed the highest yields of biogas and biomethane, indicating better digestibility by the microorganisms compared to the hydrolysate generated in the conventional hydrothermal pretreatment and to the raw bagasse. The raw bagasse performed worst in terms of biogas and biomethane yields and required more pH control. It is concluded that hydrothermal pretreatments significantly contribute to increasing biogas and biomethane yields, highlighting their importance for energy efficiency and environmental sustainability in the cassava processing industry.